AVP2008
реклама
Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Перельмутер А.В., Сливкер В.И. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА И НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ: ВОПРОСЫ И ПРОБЛЕМЫ ? Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Практически все современные средства автоматизации строительного проектирования в той или иной мере реализуют требования действующих нормативных документов, При этом возникают определенные проблемы технического, правового и экономического характера, связанные чаще всего с тем, что создатели нормативных документов не предусмотрели возможность их программной реализации. Об этих проблемах подробно сказано в брошюре, которую Вы получили при регистрации (или можете получить), и в настоящем докладе мы только напоминаем ее основные тезисы. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 1. О СИСТЕМЕ НОРМИРОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ В переходном периоде царствует полный произвол и четко не определен юридический статус многих нормативных документов: Минюст не регистрирует выходящие СНиПы и СП, госэкспертиза игнорирует запись «рекомендуемый» у выпускаемых СП и требует их обязательного выполнения и т.п. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 2. О СТИЛЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОРМАТИВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ 2.1. Нормы ориентируются на изолированную ситуацию Описывается одно загружение или же одно напряженно-деформированное состояние. Для этой изолированной ситуации приводятся детальные рекомендации. Но в реальном расчете возникают не только такие рафинированные случаи и возникает ряд сложностей. Пример 1 Коэффициент б по СП 53-102-2004 зависит от места расположения нагрузки по высоте балки, но расчетные проверки выполняются с использованием огибающей эпюры моментов, где в разных сечениях момент может соответствоватоь разным вариантам расположения нагрузки. Следовательно прямое использование указаний норм оказывается невозможным Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Пример 2 Ситуация связана с определенным вариантом нагружения, а конструкция проверяется на смесь разных нагружений. Например, при расчете на сейсмику учитывается повышение прочности материалов, но при этом не анализируется размер вклада сейсмической составляющей. Формально такое повышение будет учтено даже при ничтожном вкладе сейсмических усилий в общее напряженнодефоормированное состояние До тех пор, пока авторы норм не примут за правило указывать место предлагаемой проверки, рекомендации или требования в увязке с другими проверками, разработчики программ обречены решать эти вопросы самостоятельно (и не всегда в соответствии с замыслом создателей норм). Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 2.2. Проблемы формы изложения Совершенно очевидна та разница, которая имеется между изложением, ориентированным на неформальное прочтение подготовленным читателем, и формализованным изложением, которое только и может быть положено в основу машинного алгоритма. Интерпретации, реализуемые в различных программных системах, создают расхождения, которые неоднократно служили предметом горячих споров. В особенности часто такая ситуация возникает в тех случаях, когда требования норм трактуются расширительно, за пределами их точного действия. Пример 3 СНиП 2.03.01-84 требует, чтобы площадь арматуры S была не меньше чем 0,05% от площади сечения бетона. Что такое арматура S точно определено лишь для стержней и не ясно, нужно ли выполнять указанное требование по каждому из направлений изгиба плиты или же речь идет о суммарном количестве арматуры по осям X и Y? А если плиту армировать по трем направлениям? Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Пример 4 Коэффициент l = 1 + Ml1/M1 по СНиП 2.03.01-84, учитывает влияние длительности действия нагрузки, где Ml1 и M1— соответственно моменты от действия полной нагрузки и от действия постоянной и длительной нагрузки. Это можно трактоваться двояко: а) моменты Ml1 и M1 соответствуют одной и той же комбинации нагрузок, где различается длительная и кратковременная составляющие; б) моменты M1 соответствует комбинации, дающей его максимальное значение, а момент Ml1 —другой комбинации, приводящей к максимизации эффекта ползучести. Резюме: • различные интерпретации нормативных указаний скорее всего неизбежны; • для ориентировки пользователей программного средства принятая разработчиками интерпретация обязательно должна быть отражена в программной документации. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 2.3. О «сверхнормативных» расчетах Современные программные системы могут выполнить расчет намного детальнее и точнее, чем это предусматривается нормативными документами. При этом проявляются такие детали и подробности, которые не учитывались авторами нормативного документа. Но в результате применения нормативных процедур и коэффициентов проект с более тщательным расчетным обоснованием может оказаться менее экономичным. Пример 5 По СНиП II-7-81* результаты спектрального метода расчета корректируются редукционным коэффициентом K1, вводимым для учета неупругого поведения и локальных повреждений. Поскольку степень пластификации элементов конструкции и объем локальных повреждений при этом не уточняется, то остается неясным на что следует ориентироваться при более детальном расчете конструкции на воздействие акселерограммы с использованием интегрирования уравнений движения. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Пример 6 Нормы проектирования конструкций устанавливают предельные расстояния между температурными швами и считается, что при меньшей длине отсека расчет на температурные воздействия можно не выполнять. Но неоднократно было установлено, что такой расчет приводит к заключению о существенном перенапряжении несущих конструкций. Это связано с тем, что в расчете не учитывают микроподатливости узловых соединений. Здесь нормы, опирающиеся на многолетний практический опыт, оказываются «умнее» расчета. Если расчетная модель компьютерного анализа не соответсвует той модели, которая имелась в виду при составлении нормативного документа, то возможны противоречия или неточности, разрешить которые может быть достаточно трудно Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 2.4. Связи с потребителем Разработчикам программных систем задают не только вопросы типа «Как у вас реализовано это нормативное требование?», но и ряд других вопросов, касающихся существа нормативных требований. Как реагировать? Нам неизвестно каким образом можно разрешить коллизию взаимоотношений в треугольнике: разработчики программы авторы норм инженеры-пользователи Ни один из возможных вариантов поведения (отказаться от ответа на запрос, отвечать в меру своего разумения, переправлять вопрос авторам норм) не является идеальным по чисто организационным, техническим, правовым и коммерческим соображениям Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 3. СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 3.1. О регламентации методов расчета В качестве примера нормативных документов, в которых рассматриваемому вопросу уделено определенное внимание, можно сослаться на Еврокод-2 и Еврокод-3, где содержатся некоторые поучительные детали. Для статически неопределимых систем предусматривается возможность использования общего упругого расчета (во всех случаях) и общего пластического расчета (при некоторых ограничениях на поперечные сечения элементов и на свойства стали). Расчет может быть выполнен с использованием линейной расчетной модели, построенной на недеформированной геометрической схеме сооружения, и с применением геометрически нелинейного подхода (теория второго порядка), когда учитывается влияние деформаций на перераспределение внутренних усилий. При этом теория второго порядка может использоваться без ограничений, если расчет выполняется в упругой стадии. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Для рамной конструкции логика принятия решения о методе расчета представлена этой схемой. Отсутствие в отечественных нормативных документах общих указаний по методике статического и динамического расчета с четким разграничением ситуаций, когда допустим линейный расчет и когда он абсолютно неприемлем, это принципиальный недостатк отечественных нормативных документов. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 3.2. Проблемы не решаемые в нелинейном рачете Теория неупругого поведения не имеет адекватного отображения на общую концепцию процесса проектирования и, кроме того, все, что нам предлагается, относится к достаточно простым конструктивным элементам (чаще всего, просто стержень) при единственном варианте загружения. Не ясно как в нелинейном расчете: • выполнить динамический расчет (ветровые пульсации, сейсмика), если указания норм ориентированы на использование модального анализа, а он применим только к линейным системам. • выбрать расчетную комбинацию загружений, если не использовать принцип суперпозиции • проверить общую устойчивость системы, если методика определения критического состояния разработана только для упругих систем. • найти то сочетание нагрузок и (самое главное!) последовательность их действия, чтобы решить задачу теории ползучести. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Важной проблемой, которая не рашается в нелинейном расчете является проблема выбора невыгодных комбинаций нагрузок. Поиск основан не только на использовании принципа суперпозиций, но и на том, что критерий поиска (например, максимальное напряжение) является выпуклой функцией параметров нагружения. А в нормах: Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 3.3. Плоские или пространственные схемы Нормы проектирования ориентированы на рассмотрение плоских расчетных схем, а расчетные модели, применяемые при использовании современных программных систем, как правило являются пространственными. Они выдают, например, для стержневых элементов не тройку внутренних усилий N, M, Q а шестерку N, Mx, Qy, My, Qx, Mкp. Возникает проблема перехода к тройке усилий, определяющих плоскую схему работы, которая зафиксирована в формулах нормативного документа. Для машинного расчета оказывается неприемлемой ориентация нормативных документов на выполнение проверок по плоской расчетной схеме. Нормативные документы в этой части подлежат существенному уточнению. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 3.4. Проверка устойчивости равновесия Решение вопроса об устойчивости нормы часто подменяет уточненным расчетом по деформированной схеме с увеличением изгибающих моментов в сжатых стержнях путем умножения на коэффициент (, или др.). Считается, что мостиком, который объединяет этот подход и расчет на устойчивость служат расчетные длины элементов системы. Поэтому вопрос о методике их определении оказывается принципиальным. Логика большинства рекомендаций норм ориентирована на плоские расчетные модели или, в крайнем случае, на раздельное рассмотрение пространственной схемы в двух ортогональных плоскостях. У Ясинского и в других работах, неявно имеется в виду использование плоских схем деформирования. Только для них имеет смысл рассмотрение расстояния между точками перегиба изогнутой оси, принимаемое в качестве расчетной длины. Pcr , x 2 EJ x / 2l 2 (lef , x 2l ) Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Поскольку расчетную длину сжатых стержней следует определять как в плоскости так и из плоскости системы, то и здесь возникает нестыковка с точным определение расчетной длины. Действительно, у консольного стержня с Jy = 4Jx потеря устойчивости происходит при нагрузке 2 Pcr , x 2 EJ x / 2l (lef , x 2l ) и, значит есть только одна расчетная длина. С точки зрения норм получается, что выполняются два расчета на устойчивость, в которых попеременно запрещается деформирование то в одной, то в другой главной плоскости инерции (например, полагая то Jx = , то Jу = ), и из них определяются коэффициенты расчетной длины x и y. Насколько нам известно, для сколь-нибудь сложных систем такие парные расчеты в проектной практике не выполнялись. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 3.5. Динамические расчеты Практически все нормативные документы ориентируются на использование разложения по формам собственных колебаний. При этом многие нормативные документы указывает на число учитываемых форм. В результате может случиться, что несколько первых собственных частот определяет локальные формы движения, в то время как основная форма деформирования является далеко не первой. Пример 7 Для конструкций колеса обозрения несколько десятков первых частот собственных колебаний связаны только с деформациями спиц. Динамическая добавка ветровой нагрузки на обод обнаруживается лишь после 46-й собственной частоты. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Второй проблемой является чрезмерное упрощение динамических моделей, которое начинает восприниматься как характеристика истинного поведения. Пример 8 Многолетняя привычка к использованию консольной расчетной модели при расчете на сейсмику привела к тому, что обнаружение крутильной формы колебаний трактуется как порочность конструктивного решения, хотя никто не смог указать в чем же состоит дефект такого рода конструкции. Следует упомянуть о способе суммирования модальных вкладов, который часто следует известному правилу «корень квадратный из суммы квадратов» (КСК). Абсолютизация правила КСК является достаточно сомнительной. Пример 9 При расчете по акселерограммам, где уравнения движения решаются путем разложения по формам собственных колебаний, суммирование иногда выполняется по правилу КСК. Но если интегрирование уравнений движения выполнять напрямую, то мы придем к совершенно другому результату, хотя он не должен зависеть от метода решения Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 3.6. Проверка конструктивных элементов Условия прочности и устойчивости для конструкций, работающих в условиях неодноосного напряженного состояния, в нормативных документах, как правило, явно не формулируются. Это приводит к разнообразной самодеятельности в программных системах. Пример 10 Новые нормативные документы по проектированию железобетонных конструкций ориентированы на выполнение критерия предельной деформации, и эти критерии приведены для одноосного напряженного состояния. Однако каким образом они должны трансформироваться применительно к двухосному напряженному состоянию абсолютно не ясно. Ведь теоретического обоснования использования деформационных критериев здесь нет. Более того, любая теория пластичности построена на использовании понятия предельной поверхности в пространстве напряжений, а понятие о предельной поверхности в пространстве деформаций попросту не существует. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) 4. ДРУГИЕ ПРОБЛЕМЫ Принятый в программной системе способ реализации требований нормативных документов может иметь заметные вариации. Пользователь программы по существу поставлен в положение, когда ему навязывается решение, принятое авторами программы и хорошо, если он хотя бы знает логику принятия этих решений. Даже если в сертификате содержится список пунктов норм, которые реализованы в программе, то ничего не сказано о том, как решены вопросы не попадающие в этот список. Пример 11 Например, в сертификате сказано, что реализованы пункты СНиП II-23-81 о проверке устойчивости плоской формы изгиба. Но нормы рассматривают только двутавровые и швеллерные сечения, а как программа поступает с сечениями другой формы (игнорирует проверку, подбирает эквивалентный двутавр или швеллер, использует решение теории токостенных стержней или др.) остается неизвестным Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Отставание сформулированных в нормах требований от возможностей, предлагаемых программными системами, будет существовать всегда. Поэтому, если в программной системе присутствуют предложения, выходящие за рамки формулировок норм проектирования, то они обязательно должны быть подробно описаны в технической документации программного комплекса. Представляется, что обязательным требованием к разработчикам программных средств должно быть требование детального информирования пользователя о способах реализации нормативных требований. Было бы полезным, чтобы некоторые сведения такого рода содержались и в сертификате. Программа является источником повышенной опасности. Мы не даем взяться за руль автомобиля (тоже источник повышенной опасности) любому человеку. Общество защищается от такой опасности, требуя, чтобы у водителя были специальные права. Возможно, что и производители программных систем (а еще лучше — независимые организации) должны взять на себя проверку знаний потенциального пользователя и выдачу ему специальной лицензии. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) В докомпьютерный период выполнения проектных работ расплывчатые, неоднозначно трактуемые рекомендации хотя и были злом, но это зло носило не столь опасный характер как ныне. Сегодня формальное следование нормам в программном комплексе спрятано от глаз конечного пользователя, а однозначная трактовка новых пунктов норм в первую очередь нужна разработчикам программных комплексов. Да и сами эти пункты следует излагать в редакции, которая должна носить характер четко очерченного алгоритма действий. Нам представляется, что этого невозможно добиться без определенных организационных изменений. По-видимому еще до утверждения нормативные документы должны проходить специальную экспертизу с участием опытных разработчиков программных систем строительного проектирования. Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений (Россия, г. Пермь, 8 -10 сентября, 2008) Благодарим за внимание и приглашаем к дискуссии
